شکل 1.تصویربرداری دوربین حرارتی از-ماژولهای برق ضخیم گلدانی، اغلب لایه گلدان را به عنوان مقاومت حرارتی غالب نشان میدهد - متغیری که در اکثر مدلهای حرارتی اولیه وجود ندارد.
مدل حرارتی دمای محل اتصال را در 95 درجه تحت بار کامل نشان داد. مونتاژ در 118 درجه اجرا می شود. بازگشت قطعات از 14 ماه شروع می شود - رانش آستانه دروازه IGBT، خرابی خازن الکترولیتی، خستگی مفصل لحیم کاری متمرکز در اطراف ناحیه پراکنده-بالا. تیم مهندسی کیفیت قطعه را بررسی می کند. وزن مس PCB مقاومت در برابر تماس هیت سینک هیچ کس مدل حرارتی را باز نمی کند و یک آیتم خطی برای ترکیب گلدان اپوکسی بین جزء و دیوار محفظه اضافه نمی کند. آن آیتم خطی، اگر گنجانده شده بود، سهم مقاومت حرارتی 0.04-0.06 K/W بر سانتیمتر مربع را در ضخامت گلدان استاندارد - نشان میداد که بیشتر اختلاف بین مدل و اندازهگیری را نشان دهد.
ترکیبات استاندارد گلدان اپوکسی در 0.5 W/m·K از نظر حرارتی خنثی در طرحهای ضخیم- نیستند. آنها عایق های حرارتی با عملکرد ضد شعله-می باشند. تلقی آنها به عنوان شفاف حرارتی در یک مدل حرارتی الکترونیک قدرت، دلیل مشکل دمای محل اتصال است، نه علامت.
مقاومت حرارتی یک لایه گلدان: یک ارزیابی کمی
مقاومت حرارتی از طریق یک لایه مسطح به صورت R=t / (k × A)، که در آن t ضخامت لایه، k هدایت حرارتی، و A سطح مقطع- محاسبه میشود. برای یک ترکیب استاندارد گلدانی در k=0.5 W/m·K:
در ضخامت 10 میلی متر، مساحت 1 سانتی متر مربع: R=0.010 / (0.5 × 0.0001)=0.20 K/W
در ضخامت 15 میلی متر، مساحت 1 سانتی متر مربع: R=0.015 / (0.5 × 0.0001)=0.30 K/W
در ضخامت 20 میلی متر، مساحت 1 سانتی متر مربع: R=0.020 / (0.5 × 0.0001)=0.40 K/W
اینها ارزش های ناچیز نیستند. یک ماژول قدرتی که 5 وات را از طریق یک بخش گلدان 15 میلیمتر × 1 سانتیمتر مربع پخش میکند، افزایش دما 1.5 درجه را در سرتاسر گلدان با 0.5 W/m·K - تجربه میکند که تا زمانی که سطح مقطع-2 سانتیمتر مربع، اتلاف 20 وات و نقطه داغ متمرکز شود، کوچک به نظر میرسد. در طرحبندیهای ماژول قدرت متراکم که در آنها چندین جزء پراکنده یک حجم گلدانی را به اشتراک میگذارند، مقاومت حرارتی تجمعی لایه گلدان 15 تا 30 درجه به محل اتصال{13}}به{14}}بودجه محیطی در طرحهایی که این سهم مدلسازی نشده است، کمک میکند.
در k=1.5 W/m·K، همان هندسه یک سوم-مقاومت حرارتی را ایجاد میکند. معنی دار بودن این کاهش بستگی به این دارد که مقاومت های دیگر در مسیر حرارتی چقدر باشد - در صورتی که اتصال-به-مقاومت جزء غالب باشد، بهبود ترکیب گلدان سود کمی دارد. مقاومت حرارتی لایه گلدان زمانی بیشترین اهمیت را دارد که عبارت غالب در مسیر باشد، که در طرحهای مقاطع ضخیم با مسیرهای خنککننده با مقاومت نسبتاً کم{{8} در سطح بیرونی رخ میدهد.
شکل 2.در بخش گلدانی با ضخامت 15 میلیمتر، تغییر از 0.5 W/m·K به 1.5 W/m·K مقاومت حرارتی لایه گلدان را تقریباً دو-دو سوم کاهش میدهد. اینکه آیا این کاهش قابل توجه است بستگی به بزرگی نسبی سایر مقاومت ها در مسیر حرارتی دارد.
جایی که ضخیم-مقاومت حرارتی بخش گلدان غالب است
هر مجموعه گلدانی به رسانایی حرارتی ترکیب گلدان حساس نیست. شرایط طراحی زیر مواردی را مشخص می کند که لایه گلدان احتمالاً یک مقاومت حرارتی غالب است:
ضخامت بخش گلدان بالاتر از 8-10 میلی متر.در زیر این محدوده، مقاومت حرارتی مطلق لایه گلدان معمولاً نسبت به سایر مقاومتها در مسیر کوچک است. بالاتر از این محدوده، به ویژه هنگامی که سطح خنک کننده دیواره بیرونی محفظه است، لایه گلدان اغلب به اصطلاح غالب تبدیل می شود.
چگالی اتلاف توان بالای 1 W/cm² در حجم گلدانی.در چگالی اتلاف کم، اختلاف دما در سراسر لایه گلدان در محدوده قابل قبول حتی در 0.5 W/m·K باقی می ماند. همانطور که چگالی توان افزایش می یابد، همان مقاومت حرارتی تفاوت های دما را به نسبت بزرگتری ایجاد می کند.
توپولوژی مسیر خنک کننده که در آن گرما باید از لایه گلدان عبور کند تا به سطح خنک کننده برسد.در مجموعههایی که هیت سینک یا دیوار محفظه مسیر خنککننده اولیه است و حجم گلدانی قطعه را از آن سطح جدا میکند، مسیر بایپس وجود ندارد - 100% گرمای تلف شده قطعه باید از طریق گلدان عبور کند. در مجموعه هایی که قطعه می تواند از طریق سرب، صفحه مسی PCB یا تماس مستقیم با محفظه خنک شود، سهم گلدان کاهش می یابد.
برنامه های کاربردی مداوم بدون تسکین چرخه حرارتی.قطعه ای که به طور مداوم در نزدیکی حد دمای محل اتصال خود قرار دارد، تخریب را به صورت خطی جمع می کند. کاهش 15 درجه ای در دمای محل اتصال - که از طریق انتخاب ترکیب گلدان در برخی از هندسه ها قابل دستیابی است - می تواند عمر مفید جزء را تحت تخریب مدل آرنیوس- دو برابر کند.
چرا رسانایی حرارتی استاندارد اپوکسی پایین است و چه چیزی آن را افزایش می دهد
رزین های اپوکسی پر نشده و کم پر شده دارای هدایت حرارتی در محدوده 0.15-0.25 W/m·K هستند. این امر ذاتی زنجیرههای پلیمری -ماتریس پلیمری متقاطع - رسانای حرارتی ضعیفی است زیرا انتقال حرارت در پلیمرهای آمورف اساساً از طریق انتقال انرژی ارتعاشی در طول زنجیرهها است که در مقایسه با مواد کریستالی ناکارآمد است. مقادیر 0.5-0.7 W/m·K معمولی ترکیبات استاندارد گلدان اپوکسی بازدارنده شعله- برخی از محتوای پرکننده را نشان میدهد - معمولاً همان پرکنندههای معدنی است که در عملکرد بازدارنده شعله نقش دارند، اما در بارهای پرکننده که برای فرآیندپذیری و عملکرد شعله بهینه شدهاند، نه.
رسیدن به 1.5 W/m·K به بارگذاری پرکننده به طور قابل توجهی بالاتر با ذرات معدنی رسانای حرارتی - معمولاً هیدروکسید آلومینیوم، آلومینا، یا نیترید بور در کسرهای حجمی بالای 50% نیاز دارد. مبادله-افزایش شدید ویسکوزیته مولفه پایه است: فرمولی که 1.5 W/m·K ارائه میکند، معمولاً دارای ویسکوزیته پایه در محدوده 500,000-1,500,000 cps در 25 درجه است، در مقایسه با 4,000–10,000{1000-10000000000000000000000000000000000000 تا 4000 تا 10000 cps. این محدوده ویسکوزیته نیاز به اختلاط مکانیکی{18} و ترجیحاً حرارت دهی در دمای 50 درجه دارد تا حفرههای گلدان بسته بدون پر کردن خالی-ترکیب شود. افزایش رسانایی حرارتی واقعی است، اما با الزامات نظم و انضباط فرآیندی همراه است که در گلدان اپوکسی استاندارد وجود ندارد.
یک نکته مهم اما اغلب نادیده گرفته شده:رسانایی حرارتی یک سیستم بسیار پر تنها زمانی حاصل می شود که پرکننده به طور یکنواخت در بخش پخت توزیع شود.ته نشین شدن پرکننده در مولفه پایه در طول ذخیره سازی - که در سیستم هایی با چگالی ذرات به طور قابل ملاحظه ای بالاتر از حامل رزین - قابل توجه است، یک بخش پخت با توزیع پرکننده متغیر و بنابراین هدایت حرارتی متغیر ایجاد می کند. رسانایی حرارتی اندازهگیری شده در یک مکان در قسمت پخت ممکن است نشاندهنده میانگین تودهای نباشد، و نشاندهنده بخشهایی نیست که مواد فوقانی{3} خالی شده پرکننده ریخته شده است. این یک عیب مادی نیست - یک نقص حمل و نقل است. پیش-اختلاط جزء پایه در ظرف اصلی آن قبل از توزین در سیستمهای پرکننده{8}بالا اختیاری نیست.
شکل 3.ته نشین شدن پرکننده در مولفه پایه E533 به اندازه کافی در طول ذخیره سازی قابل توجه است که اگر ظرف قبل از وزن کردن مجدداً-مخلوط نشود-یکنواختی قابل اندازه گیری در رسانایی حرارتی پخته ایجاد نمی کند.
مشکل حفره ها: چرا گاززدایی در سیستم های رسانای حرارتی حیاتی تر است؟
در یک ترکیب استاندارد 0.5 W/m·K گلدان اپوکسی، حفره های به دام افتاده استحکام دی الکتریک موضعی را کاهش داده و محل تمرکز تنش ایجاد می کند. در یک ترکیب رسانای حرارتی که برای هدایت گرما طراحی شده است، حفرهها یک پیامد اضافی و شدیدتر دارند: آنها عایقهای حرارتی هستند که در یک ماتریس رسانای حرارتی تعبیه شدهاند.
هدایت حرارتی هوا در شرایط محیطی تقریباً 0.026 W/m·K - تقریباً 1/58 از ماتریس 1.5 W/m·K اطراف است. یک فضای خالی کروی در یک ماتریس رسانای حرارتی یک مقاومت حرارتی موضعی ایجاد میکند که مرتبهای بالاتر از مواد اطراف است. در یک ماژول قدرت بخش ضخیم- که هدف طراحی آن هدایت گرما از طریق گلدان به دیوار محفظه است، مجموعهای از حفرهها در یک مکان بحرانی میتوانند یک گلوگاه حرارتی محلی ایجاد کنند که هدف از تعیین ترکیب رسانایی بالاتر- را نادیده میگیرد.
بنابراین گاز زدایی خلاء در سیستم های رسانای حرارتی بیشتر از سیستم های استاندارد است. استدلال برای گاززدایی یک سیستم استاندارد در درجه اول دی الکتریک است - فضاهای خالی قدرت دی الکتریک موثر را کاهش می دهند. استدلال برای گاززدایی یک سیستم رسانای حرارتی هم دی الکتریک و هم حرارتی است. اینکه آیا یک برنامه معین به گاز زدایی نیاز دارد یا نه بستگی به هندسه حفره و محتوای خالی دارد که از طریق توزیع دقیق قابل دستیابی است، اما در ماژولهای گلدانی با چگالی بالا، فرض مطمئن این است که گاززدایی مورد نیاز است مگر اینکه کیفیت پر شدن حفره بر روی نمونههای معرف تأیید شده باشد.
دمای انتقال شیشه و رابطه آن با عملکرد حرارتی
یک ترکیب گلدان رسانای حرارتی با تعریف - در یک محیط گرم استفاده می شود که شرایط کاربردی است که انگیزه انتخاب را ایجاد کرده است. دمای انتقال شیشه ای (Tg) سیستم پخت تعیین می کند که در چه دمایی شکل مکانیکی گلدان شروع به تغییر می کند. در زیر Tg، ترکیب شیشه ای، صلب و از نظر ابعادی پایدار است. در بالای Tg، شبکه پلیمری به حالت لاستیکی با مدول کاهش قابل توجهی و افزایش سریع CTE تغییر میکند.
برای یک مجموعه قدرت گلدانی که در دمای بالا کار می کند، Tg ترکیب، حد بالایی پایداری ابعادی قابل اعتماد - را ایجاد می کند نه حداکثر دمای سرویس مداوم، که به حاشیه حرارتی زیر Tg نیاز دارد. اگر دمای هسته بخش گلدان در طول عملیات عادی به Tg نزدیک شود یا از آن بیشتر شود، ترکیب تحت بار انبساط حرارتی خود خزیده و به طور بالقوه سطح مشترک با اجزای تعبیه شده یا محفظه را ترک خواهد کرد.
این بدان معناست که نیاز Tg برای یک ترکیب رسانای حرارتی توسط خروجی مدل حرارتی - به طور خاص توسط دمای پیشبینی شده هسته بخش گلدانی در حداکثر بار پیوسته - تعیین میشود نه با دمای محیط محفظه. در یک ماژول قدرت متراکم که در آن لایه گلدان دمای محل اتصال را کاهش می دهد اما هسته جرم گلدانی هنوز به 110 درجه می رسد، ترکیبی با Tg 127 درجه (با حاشیه عملیاتی ~17 درجه) معنادار است. یک ترکیب با Tg 70 درجه در آن شرایط شروع به از دست دادن ثبات ابعادی می کند.
یک مدل حرارتی مناسب برای مجموعه های گلدانی چه چیزی باید داشته باشد
یک مدل حرارتی برای مجموعه قدرت گلدانی که مقاومت حرارتی ترکیب گلدان را حذف می کند، دمای محل اتصال را بطور سیستماتیک پیش بینی نمی کند. رویکرد صحیح شامل موارد زیر است:
محل اتصال-به-مقاومت حرارتی هر جزء در حال اتلاف (از برگه اطلاعات جزء).
مقاومت تماس بین بسته بندی اجزا و ترکیب گلدان اطراف (بستگی به رطوبت و محتوای خالی در رابط دارد).
مقاومت حرارتی حجیم لایه گلدان از سطح جزء تا اولین مرز خنک کننده (دیوار محفظه، هیت سینک یا صفحه مسی PCB).
مقاومت تماس یا رابط بین گلدان و مرز خنک کننده.
مقاومت حرارتی خود مرز خنک کننده (ضخامت دیواره محفظه و مواد، راندمان هیت سینک).
در مجموعههایی که مقاومت حرارتی لایه گلدان عبارت غالب - است که با این واقعیت مشخص میشود که حذف آن از مدل، دمای محل اتصال را بطور قابل ملاحظهای کمتر از مقدار اندازهگیری شده - ایجاد میکند، انتخاب هدایت حرارتی ترکیب گلدان به طور مستقیم بر طراحی حرارتی تأثیر میگذارد. این شرایطی است که در آن مشخص کردن 1.5 W/m·K در مقابل 0.5 W/m·K تفاوت معنیداری در قابلیت اطمینان سیستم ایجاد میکند.
وقتی گلدان رسانای حرارتی مشکل را حل نمی کند
تعیین یک ترکیب گلدانی 1.5 W/m·K مشکل دمای بیش از حد اتصال را حل نمی کند زمانی که:
اتصال مولفه-به-مقاومت مورد، عبارت غالب است.اگر خود جزء گلوگاه حرارتی باشد، بهبود رسانایی ترکیب گلدان اثر حاشیه ای دارد. مدل کامل حرارتی باید تجزیه و تحلیل شود تا مشخص شود که کدام مقاومت قبل از تغییر مواد غالب است.
قسمت گلدان نازک است (زیر 5 میلی متر).در ضخامت کم، مقاومت حرارتی مطلق لایه گلدان صرف نظر از رسانایی کوچک است. تعیین 1.5 W/m·K برای پرداختن به یک لایه گلدانی 5 میلی متری، پیچیدگی فرآیند را بدون مزیت حرارتی معنی دار اضافه می کند.
مسیر خنک کننده بین سطح بیرونی گلدان و محیط، مقاومت محدود کننده است.اگر همرفت طبیعی از سطح محفظه، گلوگاه حرارتی باشد، کاهش مقاومت لایه گلدان، گلوگاه را یک قدم به سمت بیرون حرکت میدهد - دمای محل اتصال را به طور متناسب کاهش نمیدهد.
فضای خالی و توزیع پرکننده کنترل نمی شود.یک ترکیب رسانای حرارتی با محتوای خالی 10 تا 15 درصد ممکن است عملکرد بهتری نسبت به یک ترکیب استاندارد با فضای خالی صفر نداشته باشد، زیرا حفرهها مقاومتهای حرارتی موضعی ایجاد میکنند که از بهبود رسانایی حجیم فراتر میرود.
محصول مرتبط برای مدیریت حرارتی در گلدان ضخیم-
E533/H533 یک ترکیب گلدانی اپوکسی دو جزئی پر شده است که رسانایی حرارتی 1.5 W/m·K و Tg 127 درجه دارد. برای ایجاد ویژگیهای درجهبندیشده آن، به یک- پخت حرارتی دو مرحلهای (80 درجه × 2 ساعت + 120 درجه × 4 ساعت) نیاز دارد. مولفه پایه (E533) دارای ویسکوزیته 500,000–1,500,000 cps در 25 درجه - مکانیکی پیش-اختلاط و گرمایش در 50 درجه (در جایی که ویسکوزیته مخلوط به 700-1500 کاهش مییابد) و ویژگیهای 2}free{1500 cps برای توسعه مورد نیاز است. پر کردن
وضعیت گواهینامه UL 94 V-0 تحت فایل E120665 (فهرست شده به عنوان E{10}}53(Y)/H-53(Y)) باید قبل از مشخصات با Fong Yong Chemical تأیید شود، زیرا وضعیت آزمایش بعدی از دسامبر 2025 به تأیید نیاز دارد. مهندسانی که نیاز به گواهینامه UL فعال در حال حاضر دارند، باید جدول زمانی بازیابی را قبل از گنجاندن E533/H533 در محصول نهایی فهرست شده در UL تأیید کنند.
👉 🔗 صفحه محصول E533/H533 - اطلاعات فنی، رسانایی حرارتی، نکات کاربردی
سوالات کلیدی مهندسی
مشخصات هدایت حرارتی در چه ضخامت گلدانی شروع به اهمیت می کند؟
به عنوان یک دستورالعمل تقریبی، مقاومت حرارتی لایه گلدان نسبت به سایر مقاومتهای حرارتی در مسیر زمانی که بخش گلدانی از حدود 8 تا 10 میلیمتر و چگالی اتلاف توان از 1 وات بر سانتیمتر مربع فراتر میرود، قابل توجه میشود. در زیر این آستانه، مقاومت مطلق لایه گلدان معمولاً اصطلاح غالب نیست و افزایش هدایت حرارتی از 0.5 به 1.5 W/m·K باعث بهبود کمتر از 5 درجه در دمای محل اتصال می شود. این باید با اجرای اعداد در یک مدل حرارتی کامل برای هندسه خاص قبل از تصمیم گیری برای تغییر ماده تأیید شود.
آیا می توان هدایت حرارتی را بر روی نمونه های تولیدی اندازه گیری کرد تا بررسی شود که ترکیب طبق مشخص شده عمل می کند؟
بله، اما اندازهگیری باید بر روی نمونههای پختهشده در اندازه دسته تولید و شرایط گاززدایی انجام شود، نه بر روی نمونههای آزمایشگاهی تهیهشده در شرایط ایدهآل. رسانایی حرارتی در سیستمهای پر شده به محتوای خالی و توزیع پرکننده حساس است. یک نمونه تولیدی با محتوای خالی 5 درصد و پرکننده ناقص پراکنده-از اختلاط ناکافی{4} ممکن است 0.8-1.0 W/m·K به جای 1.5 W/m·K اندازه گیری کند. اندازهگیری دورهای هدایت حرارتی در نمونههای تولیدی{9}}رویکرد راستیآزمایی صحیح است، نه تنها به مقادیر TDS.
آیا Tg ترکیب گلدان بر هدایت حرارتی آن در حین کار تأثیر می گذارد؟
رسانایی حرارتی در سیستمهای پر شده نسبت به خواص مکانیکی حساسیت کمتری نسبت به انتقال Tg دارد. نگرانی اصلی بالای Tg پایداری ابعادی و خزش است - ترکیب نرم میشود، CTE تقریباً 2-3× افزایش مییابد و بار پایدار باعث خزش در رابط اجزای گلدان میشود. رسانایی حرارتی در Tg برای یک سیستم به شدت پر نمی شود زیرا ذرات پرکننده (که بیشتر گرما را حمل می کنند) در جای خود باقی می مانند. نگرانی Tg در یک برنامه با بارگذاری حرارتی مکانیکی است، نه رسانایی حرارتی-.
مراحل بعدی - با Fong Yong Chemical تماس بگیرید
